CHAPITRE II: ETAT DE L’ART DES CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES
II.4 Fonctionnement et structure des cellules photovoltaïques
Le principe de fonctionnement des cellules solaires repose sur l’effet photovoltaïque et permet la transformation directe de l’énergie lumineuse en énergie électrique au sein de matériaux photosensibles ont la propriété de libérer leurs électrons sous l’influence d’une énergie extérieure [15,16]. L’effet photovoltaïque provoque, sur certains matériaux, l’émission d’une petite quantité d’électricité lorsqu’ils sont exposés à la lumière. Pour cela, il faut d’abord que l’énergie des photons incidents soit transmise à des porteurs de charge (électrons ou trous) dans le matériau [12]. Cette conversion d’énergie peut se diviser en trois étapes clés: (i) l’absorption du rayonnement solaire (photons) dans le matériau, (ii) La conversion de l’énergie absorbée en charges électriques libres et (iii) la collecte des charges photogénérées dans un circuit électrique extérieur [17-19].
II.4.1 L'absorption du rayonnement solaire
L’absorption des photons dans un matériau conducteur ou semi-conducteur permet en effet la libération d’une certaine quantité de porteurs libres. Ce mécanisme de photogénération peut être représenté à l’aide d’une caractéristique importante du matériau, dite le gap. C'est l'écart entre le maximum de la bande de valence (Bv) et le minimum de la bande de conduction (Bc) d'un matériau. La Bv est présumée être entièrement occupée par des électrons, et la Bc
entièrement vide [10, 15, 20]
Il existe deux types de gap: le gap direct et le gap indirect [20].
Gap direct: Lorsque le minimum de la bande de conduction Bc et le maximum de la bande de valence Bv correspondent à la même valeur du vecteur d'onde (k), le gap est direct. Les transitions inter bandes s'effectuent verticalement, et sont donc radiatives. Le GaAs et le MgO sont des exemples de matériaux à gap direct (voir la Figure II.5-a)
Gap indirect: cette fois-ci, sur la Figure II.5-b on remarque que la transition des extrema des bandes ne se fait pas verticalement mais de façon oblique: les transitions électroniques sont non radiatives. A énergie égale ou un peu supérieur à celle du gap, il n'est possible d'absorber le photon que grâce à l'intervention d'un phonon. Ce qui ajoute une nouvelle condition à l'absorption et diminue ainsi grandement ses probabilités. Le ZnO est un exemple de semi-conducteur à gap indirect.
A l’équilibre, les électrons possèdent une énergie correspondant à des états situés dans la Bv
et sont dits «liés». Un photon incident, dont l’énergie hv est supérieure à l’énergie de gap Eg du matériau, peut permettre le passage d’un électron de la Bv à la Bc. On considère alors que l’électron ayant rejoint la bande de conduction est excité, et qu’il laisse un trou (équivalent à une charge positive) dans la bande de valence. La paire électron-trou créée forme un exciton. Le transfert d’énergie entre le photon incident et l’électron de la Bv respecte les lois de conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement [10,15].
Figure II.5 Transitions électroniques pour un gap direct et un gap indirect.
II.4.2 La conversion de l'énergie absorbée aux charges électriques libres [20]
Les photons absorbés vont transférer leur énergie aux électrons périphériques des atomes. Ces électrons seront alors, si l'énergie apportée par le photon est supérieure à celle du gap du matériau, libérés de l'attraction de l'atome. Il y aura, par conséquent, création d'un électron libre et d'un trou. Un trou correspond au comportement d’une bande entièrement pleine privée d’un électron. Pour simplifier, on assimile ce comportement à celui d’une charge positive dans une bande entièrement occupée. La circulation des électrons dans un sens et des trous dans l'autre, forme un courant électrique, lorsqu'une charge est branchée.
Ce phénomène peut être mis en jeu dans les semiconducteurs. Pour les isolants, soit le gap est très large et il est quasi impossible d’engendrer des paires électron-trou, c’est le cas du diamant par exemple, soit le nombre de défauts, très grand en raison de la structure amorphe du matériau, est tel que les porteurs sont constamment piégés et ne peuvent donc pas créer de courant par leur déplacement, c’est le cas du verre. Dans le cas du verre, la représentation schématique des diagrammes de bandes (Figure II.6) de l'isolant n'est en réalité pas juste car, de part sa structure amorphe, les électrons ne respectent pas le schéma de bande. Ce schéma permet néanmoins de bien comprendre la difficulté de porter un électron dans la bande de valence pour les isolants. Dans le cas du diamant si on peut engendrer des porteurs dans la bande de conduction leur mobilité est extrêmement grande et la conductivité est très grande également. Pour les conducteurs, il existe déjà une forte densité d'électrons totalement libres.
On voit clairement sur Figure II.6 qu'il faut fournir une énergie au moins égale à celle du gap, qui est dépendant du matériau, pour faire monter un électron de la bande de valence à la bande de conduction et avoir création d'une paire électron-trou. De plus, l'énergie du photon supplémentaire à celle du gap, sera convertie en chaleur. On a donc création d'une paire d'électron-trou par photon au maximum. Il y a donc deux phénomènes qui limitent le rendement théorique:
L'impossibilité de convertir des photons d'énergie inférieure au gap optique. Le gap optique représente l'énergie minimum requise à un électron de la bande de valence pour accéder à la bande de conduction.
La perte de l'énergie du photon qui dépasse celle du gap optique. ـــ + hv K= 0 Bv Bc k E a) Gap direct ـــ ـــ ـــ ـــ ـــ ـــ ـــ hv Bv Bc + K= 0 k E b) Gap indirect Eg Etats occupées Etats vides
Figure II.6 Représentation schématique des diagrammes de bandes d'un isolant, semi-conducteur et conducteur [20].
II.4.3 La collecte des charges photogénérées
Les contacts métalliques permettent la collecte des charges vers le circuit extérieur: ils se présentent sous forme de grille sur la face avant, et généralement pleine plaque sur la face arrière [21].
Le fait de créer des paires électron-trou ne suffit pas car celles-ci peuvent se recombiner naturellement provoquant uniquement de l'énergie thermique. Il faut séparer les charges pour qu'elles puissent circuler sans se recombiner. Une solution est de créer un champ électrique dans le matériau. Pour cela, on dope une partie d'un semi-conducteur en atomes ayant un électron de valence supplémentaire par rapport à l'atome du semiconducteur. Il y aura, dans cette partie de semi-conducteur, un excédant de charges négatives. Cette partie sera par conséquent donneuse d'électrons. On dit qu'elle est dopée de type n. Une autre partie de semi-conducteur sera dopée en atomes ayant un électron de valence de moins que l'atome du matériau semi-conducteur. Il y aura cette fois un excédant de charges positives. Le matériau deviendra alors accepteur d'électrons. On dit qu'il est dopé de type p. Par conséquent, une cellule photovoltaïque comporte deux parties, l’une présentant un excès d’électrons et l’autre un déficit en électron. [20, 22]
La jonction de ces deux zones va entraîner la création de la zone de charge d’espace (ZCE). C’est dans cette zone que les porteurs sont séparés [21].
La mise en contact de ces deux zones provoquera un champ électrique. En effet, les charges négatives excédentaires du matériau dopé n chercheront à rejoindre les charges positives du matériau dopé p. Et inversement pour les charges positives excédentaires du matériau p. On réalise ainsi ce que l'on appelle une jonction p-n, c'est-à-dire une barrière de potentiel dans le semi-conducteur. Les types de barrières les plus communes sont l’homojonction (jonction p-n dans le même conducteur), l'hétérojonction (jonction p-n entre deux matériaux semi-conducteurs différents) et les barrières Schottky (contact entre un métal et un semi-conducteur). La hauteur de barrière de potentiel et donc l'intensité du champ électrique sont diminuées par polarisation de la jonction en direct qui permet le passage de porteurs. Une polarisation inverse augmentera la hauteur de barrière. Le fonctionnement de la jonction p-n est illustré sur la Figure II.7 ci-dessous [20]:
Gap
Isolant Semi-conducteur Métal E
Figure II. 7 Structure (a) et diagramme de bande (b) d'une cellule photovoltaïque.
Dans la zone n ou p, les porteurs minoritaires qui atteignent la zone de charge d'espace sont envoyés par le champ électrique dans la zone p (pour les trous) ou dans la zone n (pour les électrons) où ils seront majoritaires. Il y aura un photo-courant de diffusion. Dans la zone de charge d'espace, les paires électrons-trous créées par les photons incidents sont dissociées par le champ électrique. Les électrons vont aller dans la région n et les trous vers la région p. Il y aura un photo-courant de génération. Ces deux contributions s'ajoutent pour former un photo-courant résultant Iph. C'est un courant de porteurs minoritaires. Il est proportionnel à l'intensité lumineuse [6, 20].